Hệ thống lái trên xe hơi hoạt động như thế nào ?

Khi bạn xoay vô lăng, chiếc xe sẽ chuyển hướng theo phía mà bạn muốn. Thế nhưng đã bao giờ bạn tự hỏi tại sao chiếc xe lại có thể chuyển hướng khi xoay vô lăng không ? Chắc chắn bạn sẽ học được nhiều điều thú vị khi tìm hiểu về nguyên lý làm việc của hệ thống lái trên xe ô tô qua bài viết dưới đây.

Bài viết này sẽ giới thiệu về nguyên lý làm việc, một số hệ thống lái cơ bản và ảnh hưởng của nó đến mức tiêu hao nhiên liệu của xe.


Hình 1: Sơ đồ bố trí hệ thống lái trên xe hơi.

Đầu tiên, bạn sẽ rất ngạc nhiên vì khi chuyển hướng, các bánh xe trước không đi theo cùng một hướng. Tại sao vậy? Để chiếc xe chuyển hướng êm dịu thì mỗi bánh xe cần phải đi theo một đường tròn khác nhau. Bởi vì bánh xe bên trong chuyển động theo một vòng tròn có bán kính nhỏ hơn, việc quay vòng khó khăn hơn so với bánh xe phía ngoài. Nếu bạn vẽ một đường thẳng vuông góc với từng bánh xe, các đường thẳng đó sẽ giao nhau tại một điểm và gọi là tâm quay vòng. Sơ đồ hình học dưới đây cho biết bánh xe bên trong sẽ phải quay nhiều hơn bánh xe ngoài.


Hình 2: Sơ đồ mô phỏng bán kính quay vòng.

Trên xe hơi thường có hai loại hệ thống lái. Có thể tóm tắt chung nhất là cơ cấu bánh răng – thanh răng (Rack-and-pinion) và trục vít – bánh vít (recirculating ball). Trước hết chúng ta cùng xem xét nguyên lý của hệ thống bánh răng – thanh răng.
Cơ cấu lái bánh răng-thanh răng xuất hiện và nhanh chóng được sử dụng phổ biến trên các xe ô tô du lịch, xe tải nhỏ, và dòng SUV. Nó là một cơ cấu cơ khí khá đơn giản. Một bánh răng được nối với một ống kim loại, một thanh răng được gắn trên một ống kim loại. Một thanh nối (tie rod) nối với hai đầu mút của thanh răng.
Bánh răng tròn được nối với trục tay lái. Khi bạn xoay vô lăng, bánh răng quay làm chuyển động thanh răng. Thanh nối ở hai đầu thanh răng được gắn với một cánh tay đòn trên một trục xoay (hình 4).


Hình 3: Hệ thống lái với bánh dẫn hướng trong hệ thống treo độc lập.

Cặp bánh răng – thanh răng làm hai nhiệm vụ: chuyển đổi chuyển động xoay của vô lăng thành chuyển động thẳng cần thiết để làm đổi hướng bánh xe.
Trên đa số xe hơi hiện nay người ta thường phải xoay vô lăng ba đến bốn vòng để chuyển hướng bánh xe từ cuối cùng bên trái sang tận cùng bên phải và ngược lại. Tỉ số truyền của cơ cấu lái là tỉ số biểu thị mối quan hệ giữa góc quay vô lăng và góc mà bánh xe đổi hướng. Ví dụ, nếu vô lăng quay được một vòng (360 độ) mà chiếc xe đổi hướng 20 độ, thì khi đó tỉ truyền là 360 chia 20 bằng 18:1. Tỉ số này cao nghĩa là bạn cần phải quay vô lăng nhiều hơn để bánh xe đổi hướng. Tuy nhiên, một tỉ số truyền cao sẽ không hiệu quả bằng tỉ số truyền thấp.
Nhìn chung, những chiếc ô tô hạng nhẹ và thể thao có tỉ số truyền thấp hơn so với các xe tải hạng nặng. Tỉ số thấp hơn sẽ tạo cho tay lái phản ứng nhanh hơn, bạn không cần xoay vô lăng nhiều khi vào cua gấp, và đây chính là một đặc điểm có lợi cho các xe đua.
Hệ thống lái bánh răng-thanh răng có trợ lực


Hình 4: Sơ đồ hệ thống lái có trợ lực.

Ở hệ thống lái này, thanh răng được thiết kế hơi khác so với loại thường một chút. Một phần của thanh răng có chứa một xi lanh và một piston luôn ở vị trí giữa. Piston được nối với thanh răng. Có hai đường ống dẫn chất lỏng ở hai bên của piston. Một dòng chất lỏng (thường là dầu thuỷ lực) có áp suất cao sẽ được bơm vào một đầu đường ống để đẩy piston dịch chuyển, hỗ trợ thanh răng chuyển dịch. Như vậy, khi bạn đánh lái sang bên nào thì cũng có sự hỗ trợ của hệ thống thuỷ lực sang bên đó.
Cơ cấu lái trục vít-bánh vít.
Cơ cấu này hiện đang được sử dụng trên hầu hết các xe tải và SUV. Sự liên kết của các chi tiết trong cơ cấu hơi khác với cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng.


Hình 5: Sơ đồ bố trí các chi tiết trong hệ thống lái.

Bạn có thể tưởng tượng rằng cơ cấu có hai phần. Phần thứ nhất là một khối kim loại có một đường ren rỗng trong đó. Bên ngoài khối kim loại này có một vài răng ăn khớp với một vành răng (có thể dịch chuyển một cánh tay đòn). Vô lăng được nối với một trục có ren (giống như một cái êcu lớn) và ăn khớp với các rãnh ren trên khối kim loại nhờ các viên bi tròn ( hình 6).
Khi xoay vô lăng, êcu quay theo. Đáng lẽ khi vặn chiếc êcu này, nó phải đi sâu vào trong khối kim loại đúng theo nguyên tắc ren nhưng nó đã bị giữ lại nên khối kim loại phải di chuyển ngược lại. Điều đó đã làm cho bánh răng ăn khớp với khối kim loại này quay và dẫn đến di chuyển các cánh tay đòn làm các bánh xe chuyển hướng.


Hình 6: Cơ cấu lái trục vít-êcu-bi-cung răng.

Như trên hình vẽ đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với khối kim loại nhờ các viên bi tròn. Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữa các chi tiết. Thứ hai, nó làm giảm độ rơ của cơ cấu. Độ rơ xuất hiện khi đổi chiều tay lái, nếu không có các viên bi, các răng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ rơ của tay lái.
Hệ thống trợ lực của cơ cấu lái này cũng tương tự như của cơ cấu lái bánh răng – thanh răng. Việc hỗ trợ cũng được thực hiện bằng cách đưa dòng chất lỏng áp suất cao vào một phía của khối kim loại.
Bơm thuỷ lực.


Hình 7: Vị trí bơm trợ lực trong hệ thống lái.

Để hỗ trợ cho hệ thống lái, người ta sử dụng một bơm thuỷ lực kiểu cánh gạt (hình 7). Bơm này được dẫn động bằng mô men của động cơ nhờ truyền động puli – đai. Nó bao gồm rất nhiều cánh gạt (van) vừa có thể di chuyển hướng kính trong các rãnh của một rô to. Khi rô to quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt này bị văng ra và tì sát vào một không gian kín hình ô van. Dầu thuỷ lực bị kéo từ đường ống có áp suất thấp (return line) và bị nén tới một đầu ra có áp suất cao.
Lượng dầu được cung cấp phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Bơm luôn được thiết kế để cung cấp đủ lượng dầu ngay khi động cơ chạy không tải, và do vậy nó sẽ cung cấp quá nhiều dầu khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Để tránh quá tải cho hệ thống ở áp suất cao, người ta phải lắp đặt một van giảm áp (hình 8).


Hình 8: Kết cấu bơm trợ lực kiểu cánh gạt.

Hệ thống trợ lực lái sẽ hoạt động khi người lái tác dụng một lực trên vô lăng (khi muốn chuyển hướng xe). Khi người lái không tác động một lực nào (khi xe chuyển động thẳng), hệ thống không cung cấp bất cứ một sự hỗ trợ nào. Thiết bị dùng để cảm nhận được lực tác động lên vô lăng được gọi là van quay.


Hình 9: Sơ đồ kết cấu van quay.

Chi tiết chính của van quay là một thanh xoắn. Thanh xoắn là một thanh kim loại mỏng có thể xoắn được khi có một mômen tác dụng vào nó. Đầu trên của thanh xoắn nối với vô lăng còn đầu dưới nối với bánh răng hoặc trục vít, vì vậy toàn bộ mô men xoắn của thanh xoắn cân bằng với tổng mô men người lái sử dụng để làm đổi hướng bánh xe. Mômen mà người lái tác động càng lớn thì mức độ xoắn của thanh càng nhiều. Và sự đóng, mở các van khi bạn tác động lực vào vô lăng.
Đầu vào của trục tay lái là một thành phần bên trong của một khối van hình trụ ống. Nó cũng nối với đầu mút phía trên của thanh xoắn. Phía dưới của thanh xoắn nối với phía ngoài của van ống. Thanh xoắn cũng làm xoay đầu ra của cơ cấu lái, nối với bánh răng hoặc trục vít phụ thuộc vào kiểu hệ thống lái.
Khi vô lăng không có tác động, cả hai đường ống thuỷ lực đều cung cấp áp suất như nhau cho cơ cấu lái. Nhưng nếu van ống được xoay về một bên, các đường ống sẽ được mở để cung cấp dòng cao áp cho đường ống phía bên đó. Tuy nhiên các hệ thống bổ trợ trên có hiệu quả thấp. Chúng ta cùng nghiên cứu một số hệ thống trong tương lai cho hiệu suất cao hơn.
Hệ thống trợ lực lái trong tương lai.
Vì bơm trợ lực lái làm việc liên tục nên rất lãng phí năng lượng của động cơ. Bạn sẽ thấy một vài hệ thống mới để có thể cải thiện tính tiết kiệm nhiên liệu của ô tô. Một trong những ý tưởng mới mẻ đang nằm trên bàn giấy là hệ thống “steer-by-wire” hay “drive-by-wire”, tạm hiểu là lái bằng dây. Những hệ thống này đã loại bỏ hoàn toàn việc liên kết cơ khí giữa vô lăng và hộp tay lái, thay thế chúng là hệ thống điều khiển điện tử hoàn toàn.
Trong các xe hơi drive-by-wire tương lai, vô lăng hình tròn có thể sẽ không tồn tại nữa. Tất cả những gì bạn dùng để chuyển hướng bánh xe chỉ là những núm, nút giống như dùng để điều chỉnh vị trí ghế ngồi hiện nay. Như vậy, hệ thống lái của xe có thể được điều khiển bằng nhiều loại núm nút riêng biệt, phù hợp với sở thích của từng người trong một gia đình.
Trong 50 năm qua, hệ thống lái của xe không thay đổi nhiều lắm, nhưng chỉ cần một thập kỷ nữa thôi, bạn sẽ nhìn thấy những chiếc xe tiện nghi có hệ thống lái cực kỳ thông minh và hiệu quả !

Thanh Nam

Bạn cũng có thể thích Bài đăng cùng tác giả

Chia sẻ ý kiến của bạn

Thông Tin Cá Nhân

NamNữ

Trình Độ Học Vấn

Thông tin chung